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气体扰动对高速电梯系统动态特性的影响研究 中文摘要 中文摘要 电梯是随着高层建筑兴建而发展起来的一种运输工具，其地位相当于“垂直运动 的汽车”。在高层和超高层建筑中，为了节省运送乘客的时间和提高电梯运送乘客的 效率，有效地解决高层和超高层建筑内的交通问题，客观上提出了对高速和超高速电 梯的需求。然而，随着电梯运行速度的提高，其在运行过程中所受到的垂直和横向气 体扰动力也随之增大，因此，高速电梯气体扰动力的研究，对电梯的减振、提高其乘 座的舒适性具有十分重要的意义。 本文共分六章，具体研究内容如下： 第一章，绪论。首先阐述了论文研究的背景和意义，介绍了国内外电梯机械系统 动态特性和电梯气动学的研究现状，提出了本学位论文的主要研究内容。 第二章，电梯理论基础。介绍了有关电梯的基础知识，包括电梯的结构、电梯速 度曲线的计算、速度的p i d 控制方法、电梯产生振动的原因，以及电梯模态和瞬态动 力响应基本计算原理，为本文后续对电梯的理论研究仿真实验奠定好基础。 第三章，电梯机械系统动力学模型。本章从系统动力学运动方程入手，通过对电 梯系统结构特点和振动机理的分析研究，先后建立了电梯机械系统垂直方向上1 8 个 自由度的动力学模型和水平方向上4 个自由度的动力学模型。 第四章，电梯运行过程综合动力学模型。本章根据活塞风形成的机理，以及通过 对隧道内高速运行的列车和矿井内提升设各气动模型的比较研究，构建了轿厢运行过 程垂直方向上所受的气体扰动力，并以此修正了高速、超高速电梯运行过程垂直方向 上的动力学模型；并运用流场的控制方程、求解方法以及计算流体力学软件f l u e n t ， 对不同情况下电梯井道内的气场进行了数值模拟，建立了基于仿真实验基础上的横向 气体扰动力模型，并修正了水平方向上的动力学模型。 第五章，仿真实验研究。根据某电梯的原始配置参数，对加入气体扰动与未加入 气体扰动、不同的运行速度、不同的轿厢形状等参数进行了模态分析，研究气体扰动 对电梯系统固有频率的影响；对垂直方向上的可变参数进了优化和仿真；在相同的导 轨激励下对水平方向上进行仿真，研究了气体扰动对水平方向振动最大峰峰值及a 9 5 值的影响；并在给定的电梯速度曲线下进行了水平方向上的振动仿真。 第六章，对论文的主要研究工作和创新点作了总结，并对未来的研究工作进行了 中文摘要气体扰动对高速电梯系统动态特性的影响研究 展望。 本论文主要创新点： 1 根据活塞风形成的机理，以及通过对隧道内高速运行的列车和矿井内提升设 备气动模型的比较研究，构建了轿厢运行过程垂直方向上所受的气体扰动力，并以此 修正了高速、超高速电梯运行过程垂直方向上的动力学模型。 2 运用流场的控制方程、求解方法以及计算流体力学软件f l u e n t ，对不同情 况下电梯井道内的气场进行了数值模拟，建立了基于仿真实验基础上的气体扰动力模 型，并修正了水平方向上的动力学模型。 3 通过仿真实验研究，对高速运行电梯垂直方向上的可变参数进了优化和仿真； 研究了气体扰动对水平方向振动最大峰峰值及a 9 5 值的影响；以及对给定电梯速度 曲线下水平方向上的振动进行了仿真。 关键词：高速电梯；气体扰动力；动力学模型；仿真实验 作者：杜海军 指导教师：芮延年，秦健聪 气体扰动对高速电梯系统动态特性的影响研究 a b s l r a c t a b s t r a c t e l e v a t o ri sak i n do fc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t y , w h i c hd e v e l o p sa l o n g 晰t 1 11 1 i 曲- r i s e c o n s t r u c t i o n s i t ss t a t u si se q u a lt o v e r t i c a lm o v e m e n to a r i no r d e rt os a v i n gp a s s e n g e r s t i m ea n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y , t h eh i g h s p e e do rs u p e rh i 曲一s p e e de l e v a t o ri sn e e d e dt o s l o v et h i st r a n s p o r tp r o b l e m h o w e v e rt h ea e r o d y n a m i cf o r c eo nc a ri si m p r o v i n gw i mt h e e l e v a t o r ss p e e d , s os t u d y i n gt h eh i g l a s p e e de l e v a t o r s a e r o d y n a m i cf o r c eh a sg r e a t s i g n i f i c a n c eo ns u p r e s s i n gt h ee l e v a t o rv i b r a t i o na n di m p r o v i n gt h ee l e v a t o r s c o m f o r t t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s i t sm o s tw o r ki sd e s c r i b e da sb e l o w ： i nc h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ed i s s e r t a t i o na r e i n t r o d u c e d ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n da n dt h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fe l e v a t o r s m e c h a n i c a ls y s t e m sa n de l e v a t o r s a e r o d y n a m i ci nt h ew o r l da r e e x p a t i a t e d ，a n dt h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o na r ep r o p o s e d i nc h a p t e r2 ：e l e v a t o r sf o u n d a t i o n i n t r o d u c ts o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u te l e v a t o r , i n c l u d i n g ：e l e v a t o r sc o n f i g u r a t i o n , h o wt o c a l c u l a t et h ee l e v a t o r ss p e e dc u r v e ，s p e e d s p i dc o n t r o lm e t h o d ，t h ec a u s eo fe l e v a t o rv i b r a t i o na n dt h ep r i n c i p a lm e t h o do fm o d a l ， t r a n s i e n tr e s p o n s e a l lo ft h e s e l a yab a s i sf o re l e v a t o r st h e o r e t i c a ls t u d y i n ga n d s i m u l a t i o n i nc h a p t e r3 ：t h ed y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o r sm e c h a n i c a ls y s t e m i nt h i sc h a p t e r f r o mt h es y s t e m sd y n a m i ce q u a t i o n s ，a n dr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r ea n dv i b r a t i o n m e c h a n i s mo fe l e v a t o r , a18 d e g r e e - o f - f i e e d o md y n a m i cm o d e li nv e r t i c a ld i r e c t i o na n da 4 - d e g r e e - o f - f r e e d o md y n a m i cm o d e li nl a t e r a ld i r e c t i o na r ee s t a b l i s h e d 。 i nc h a p t e r4 ：e l e v a t o r ss y n t h e t i c a ld y n a m i cm o d e l i nt h i sc h a p t e rb a s eo nt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fp i s t o nw i n d ，a n dc o m p a r et h ea e r o d y n a m i cm o d e lo fh i 曲一s p e e d t r a i n st h r o u g ht u n n e l sa n dt h ee q u i p m e n tm o v e m e n ti nm i n e ，aa e r o d y n a m i cf o r c eo nc a r s i nv i r t i c a ld i r e c t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h e na m e n dt h ev i r t i c a ld y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o r i nr u n n i n g u s i n gt h ec o n t r o le q u a t i o n so ff l o wf i e l d ，s o l v i n gm e t h o d sa n dt h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t , s i m u l a t et h ea i rf i e l di nh o i s t 、析协 d i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h e naa e r o d y n a m i cf o r c ei n l a t e r a ld i r e c t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h e n i l i a b s l r a c t 气体扰动对高速电梯系统动态特性的影响研究 a m e n dt h el a t e r a ld y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o ri nr t m n i n g i nc h a p t e r5 ：s i m u l a t i o ns t u d y a c c o r d i n gt oa ne l e v a t o ro r i g i n a lc o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r s ，d om o d e la n a l y s i sw i t hd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，s u c ha sa d dg a sd i s t u r b a n c ea n d w i t h o u t , d i f f e r e n ts p e e d s ，d i f f e r e n tc a r ss h a p e s ，t h e ns t u d yt h ea i rd i s t u r b a n c e se f f e c to n n a t u r a l 丘e q u e n c yo fe l e v a t o rs y s t e m o p t i m i z et h ev a r i a b l ep a r a m e t e r si nv e r t i c a ld i r e c t i o n a n ds i m u l a t et h ee l e v a t o r sm o v ep r o c e s s s t u d yt h ea i rd i s t u r b a n c e se f f e c to nt h el a t e r a l v i r b a t i o n sl a r g e s tp e a k - t o - p e a ka n da 9 5 a n ds i m u l a t et h el a t e r a lv i r b a t i o nu n d e rag i v e n e l e v a t o r ss p e e dc u r v e i nc h a p t e r6 ：t h ec h i e fw o r ka n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v e b e e n s u m m a r i z e d ，a n df l u - t h e rr e s e a r c hs u b j e c t sh a v e b e e np r o p o s e d t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i st h e s i s ： 1 b a s eo nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fp i s t o nw i n d ，c o m p a r et h ea e r o d y n a m i c m o d e lo fh i 曲- s p e e dl r a i n st h r o u g ht u n n e l sa n dt h ee q u i p m e n tm o v e m e n ti nm i n e ，a a e r o d y n a m i cf o r c eo nc a r si nv i r t i c a ld i r e c t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h e na m e n dt h ev i r t i c a l d y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o ri nr u n n i n g 2 u s i n gt h ec o n t r o le q u a t i o n so ff l o wf i e l d ，s o l v i n gm e t h o d sa n dt h ec o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t , s i m u l a t et h ea i rf i e l di nh o i s t 、析t 1 1d i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h e naa e r o d y n a m i cf o r c ei nl a t e r a ld i r e c t i o nb a s e do ns i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h e n a m e n dt h el a t e r a ld y n a m i cm o d e lo fe l e v a t o ri nr u n n i n g 3 o p t i m i z et h ev a r i a b l ep a r a m e t e r si nv e r t i c a ld i r e c t i o na n ds i m u l a t et h ee l e v a t o r s r u n n i n gp r o c e s s s t u d yt h e a i rd i s t u r b a n c e se f f e c to nt h el a t e r a lv i r b a t i o n s l a r g e s t p e a k t o p e a ka n da 9 5 a n ds i m u l a t et h el a t e r a lv i r b a t i o nu n d e rag i v e ne l e v a t o r ss p e e d k e yw o r d s ：h i 曲- s p e e de l e v a t o r ；a e r o d y n a m i cf o r c e ；d y n a m i cm o d e l ；s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t w r i t t e n b y ：h 删l l l ld u s u p e r v i s e db y ：y a n n i a nr u ij i a n c o n gq t n i v 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：左鎏里 e l期： z 鲤笠主 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名：擗日 期： 狸盟 期：趔z ! ：丝 气体扰动对高速电梯系统系统动态特性影响的研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 电梯是随着高层建筑兴建而发展起来的种运输工具。当今在高楼、车站和大型 商场等建筑中，电梯已是一种不可缺少的垂直运输设备。其使用范围越来越广，使用 人数越来越多，使用频率也越来越高。据统计，2 0 0 2 年我国在用电梯为3 4 6 万台，新 梯安装量以每年6 万台的速度飞速增长。尽管如此，我国的电梯行业依旧方兴未艾。 为了节省运送乘客时间，提高电梯运送乘客效率，客观上提出了对高速和超高速 电梯的需求。在电梯行业内部高速电梯定义为：运行速度1 ，4 m s 的电梯。其实到目 前为止，o t i s 公司、日本三菱公司等都己生产出了l o m s 以上的电梯，2 0 0 3 年1 1 月在台北1 0 1 大楼投入使用的东芝电梯运行速度已达1 6 8 m s 。然而，目前我国的电 梯公司大多只能生产低于3 m s 的电梯，而且在动态性能、舒适感等方面与进口电梯 相比还有一定的差距【l 翻。2 0 0 4 年，浙江大学课题组曾对运行在沪杭地区2 0 0 多家使 用单位的4 6 台电梯进行了动态性能的测试【3 】，发现，国内企业( 包括合资企业) 主 要重视电梯的安全性和功能性，在动态性能方面与国外同类电梯相比还具有比较大差 距。特别是电梯的垂直振动( z 方向) ，很多产品只能达到国标要求的最低标准；水 平振动( x 、y 方向) 由于国内电梯的运行速度比较低，振动水平一般都比较小。随 着社会的进步与发展，特别是高层建筑的发展我国对高速电梯的需求越来越大，目前 我国对速度要求1 ，4 m s 的电梯多是依赖进口。因此，开发高速电梯产品是社会发展 的需要，其研究意义十分重大。 随着电梯运行速度的增加，会引出一系列的问题【4 。5 】：首先，随着电梯速度的增 大对电梯安全部件的冲击就会增大，就对电梯上的安全部件( 比如安全钳) 的性能可 靠性提出了更高的要求；其次，随着电梯速度增加电梯运行过程中所消耗的能量就会 增加，因此高速、超高速电梯有节能性的要求；电梯在整个运行过程中产生的机械振 动和冲击也会随着电梯速度的增加而加剧，这样不但会影响到电梯的工作性能，对曳 引系统产生附加动载荷，会缩短电梯和精密仪器的使用寿命；强烈的振动还会影响轿 厢上仪器仪表的正常工作，使电梯不能准确平层到位，导致安全事故发生；此外，电 梯的振动及振动产生的噪音还会影响乘客的舒适感等。 随着电梯运行速度的提高轿厢所产生的振动就会越来越明显，而在高速、超高速 第一章绪论气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 电梯的振动中，气体的扰动也会成为一个不可忽视的影响因素，因此，研究气体扰动 对电梯动态性能的影响，对进一步提高电梯运行速度和乘坐舒适性有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状 电梯是一个复杂的机电一体化技术产品。一般来说，电梯的振动主要是指电梯轿 厢沿井道的垂直方向上的振动( z 方向) 和在水平平面内的横向振动( 即水平振动， 包括x 、y 两个方向) 。电梯系统的振动与控制系统、曳引系统、导向系统、质量补 偿系统、电梯的载荷分布以及电梯的运行速度等都有着密切的关系、在高速超高速 电梯中气体的扰动也会成为影响电梯系统振动的一个不可忽视的因素。本文，主要研 究电梯轿厢运动所产生的气体扰动力对电梯振动的影响规律，控制系统产生的波动看 作激励形式。 电梯系统垂直方向的振动主要是通过曳引绳( 钢丝绳或钢带) 向轿厢传递的，曳 引机输出力矩的波动，以及曳引轮、轿项轮、对重轮和张紧轮的偏心是垂直振动的主 要振源。实际调研表明，电梯的垂直振动具有很强的谐波性，与电梯系统的某些低阶 固有振动具有密切的联系。目前国内外科技工作者对电梯的垂直振动建模与分析方法 研究比较多，己经形成了许多成熟的理论和实际应用成果。 湖南大学的陈炳炎、于德介等人【6 。7 】利用拉格朗日方程建立了1 ：1 电梯系统7 自由 度垂直振动模型，提出了一种基于实测系统固有频率的电梯动力学模型修正方法，对 湖南益阳电梯总厂生产的t r j t l 0 0 0 1 6 - j x p c 型电梯进行了动力学建模与修正，取得 了令人满意的结果。在此基础上，他们还提出了一种以降低轿厢最大振动加速度幅值 为目标的动态特性优化方法，并编制了响应的f o r t r a n 计算程序。但在文中，没有考 虑到电梯机械系统的变参数特性，其数学模型并不能完全表达出机械系统的动态特 性。 浙江大学的刚宪约等人【1 】提出了一种把电梯曳引绳、补偿绳及随行电缆质量考虑 在内的垂直方向上的动力学建模方法，并基于电梯的灵敏度，提出了一种运用遗传算 法对电梯动力学参数进行优化的方法。文中，其机械系统的动力学模型考虑到了系统 中的变参数特性，但没有考虑到承重梁的等效质量与刚度同样组成了电梯机械系统中 的一个自由度。 电梯系统的垂直振动和水平振动都是影响电梯动态舒适性的重要因素，但国内外 对于水平振动的研究却相对较少。一方面，是因为电梯系统水平振动与电梯的传动形 2 气体扰动对高速电梯系统系统动态特性影响的研究第一章绪论 式、结构和运动参数、导向系统特性等都有密切的关系，振动机理比较复杂，建模困 难；另一方面，对于应用比较广的中低速电梯，水平振动对电梯动态舒适性的影响远 没有垂直振动大。不过，随着电梯运行速度的提高，水平振动对于电梯性能的影响越 来越显著。研究表明，电梯系统的水平振动正比于电梯的运行速度。因此对于高速、 超高速电梯，电梯系统的水平振动是一个不容忽视的重要问题之一。 导轨是电梯系统水平振动的主要激励源用。导轨对电梯的激励主要来自两个方 面：导轨的位置误差及变形( 主要包括导轨变形、导轨倾斜和接头误差等) ，导轨刚 度随导靴位置与导轨支架之间距离的变化。 傅武军等人【9 】，把轿厢一轿架之间视为刚性联接，以坐标变换为基础，建立了轿 厢除垂直移动以外的5 自由度水平振动模型；并研究了在导轨正弦、三角、脉冲和阶 跃等模式的扰动下轿厢的加速度响应。但是实际上，电梯轿厢与轿架之间是通过轿底 橡胶垫、橡胶卡垫等柔性介质联接在一起的，它们对轿厢的水平振动具有比较大的影 响。 天津大学的郭丽峰，张国雄等人【1 0 】对电梯轿厢一导轨耦合动力系统进行分析，建 立1 2 个自由度非线性振动模型。用基于状态空间的数值迭代法对模型进行求解，研究 当导轨不平顺度激励强度以及轿厢运行速度等因素发生改变时，轿厢水平振动的时域 和频域特性。 水平方向上的振动机理比较复杂，除了导轨激励可以引起轿厢的水平方向振动之 外，曳引绳的横向波动也会引起轿厢水平方向上的摆动。 w d z h u 等人【1 1 1 2 】分别建了固定曳引绳波动模型和运动曳引绳波动模型在x - - y 平面内的自由振动控制方程及边值条件。浙江大学的刚宪约等人【1 】以轿厢一轿架一导 向系统为研究对象，利用坐标变换方法，建立了电梯系统水平振动的随机偏差激励模 型及其分析方法。基于m _ n o t ek a r o l 法，对电梯水平振动响应的统计分析方法进行了 探讨。基于一维弦的波动理论，以曳引绳一轿厢为研究对象，建立了电梯系统水平振 动的波动模型；基于坐标变换、分离变量法和g a r l e r k i n 加权余量法，将分布质量的 波动模型转化为集中质量的近似模型，有效地对其进行模态和响应计算。 目前国内外对于电梯系统水平振动的研究人多还处于理论和仿真研究阶段，还没 有形成一套成熟的理论体系和分析方法。 电梯的运行速度不断提高，气体对电梯轿厢的作用力也越来越明显。而电梯井道 内的气体的气动模型的研究也在近几年来开始得到人们的关注。 第一章绪论气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 北京航空航天大学的段颖等人【l 弘1 4 】将高速电梯及井道进行简化，建立了计算轿厢 前后气体压力的数学模型。计算了在不同轿厢速度下，轿厢前后的压力。并应用气动 系统的相似性，对高速电梯气动模型进行无量纲分析，从而设计建成了一套简化高速 电梯气动特性试验设备，可实现不同的阻塞比、开口比、端头留空比和箱体外形等多 种状态下的实验模拟。但是该模型没有考虑到轿厢的形状对轿厢前后气体压力的影响 和轿厢水平方向上所受到的气体扰动力。 s h il i q u n 等t 1 5 - 1 6 】建立两维轿厢与对重交错时的气动模型，采用计算流体力学方 法结合动网格技术，对轿厢与对重交错过程中的非稳态湍流场进行了数值模拟，之后 基于流场的计算结果对壁面噪声源辐射强度的分布及其变化进行了分析。并研究了电 梯运行速度、轿厢与对重间的横向距离、轿厢宽度以及两端挡风板的布置情况对交错 过程中所受气动力与壁面噪声源辐射强度的影响。 k a t s u y a 1 7 】在假设井道内气体为两维紊流流动的情况下计算了轿厢周围的气体流 场，并得出轿厢在垂直方向上的受力。h i s a s h i 1 8 】通过对轿厢周围气体流场的三维计算 机模拟，得出在电梯向下运行到接近底坑的时候是主要的气体噪声源。 以上电梯气动研究主要是在轿厢所受的气动力和噪声两方面进行的，但在高速、 超高速电梯中气体的扰动力是随着电梯速度和位移的变化而变化的，其势必会影响到 电梯的动态特性，只是这一方面的研究还未见报道。 从现有的资料看出，目前电梯的研究方向有两个大方面：、一个是电梯的机械系统 方面，主要是系统建模、振动控制、参数对动态特性的影响以及参数优化等方面的研 究；一个是电梯的气动系统方面，主要是在轿厢运行过程中的所受的气动力及噪声方 面的研究。电梯机械系统的研究的较多，而且部分研究成果已经应用到实际生产当中， 而电梯的气动方面只是在近几年才受到关注，是随着高速、超高速电梯的出现而提出 来的研究课题。两个方面的研究一直是并向进行的，本文致力于将两方面的研究交叉 在一起，因此包括两方面的研究：一是电梯的机械系统的研究，加入气体扰动力下的 电梯动力学模型是在机械系统动力学模型的基础上修改的，因此电梯机械系统的研究 为后绪的工作奠定了基础；二是电梯运行过程中气体扰动力，并应用气体扰动力修正 机械系统动力学模型，研究气体扰动对高速、超高速电梯动态特性的影响。 4 气体扰动对高速电梯系统系统动态特性影响的研究 第一章绪论 1 3 本课题的主要研究内容 随着电梯运行速度的不断提高，井道内气体对轿厢的作用越来越明显。本文针对 轿厢周围气体对电梯系统动态特性的影响进行研究。主要内容如下： 1 机械动力学系统的建模：通过研究电梯系统的结构，简化电梯系统，考虑电 梯垂直方向机械系统的变参数特性和承重梁的等效质量与刚度组成了电梯机械系统 中的一个自由度，并运用拉格朗日方程对垂直方向上的动力学模型；分析了电梯水平 方向结构特点和振动机理，对物理模型根据分析研究的需要进行简化，建立电梯水平 方向动力学模型。 2 气体扰动力建模：通过分析比较列车在隧道内运行时的气动模型和矿井内提 升设备的气动模型，建立电梯轿厢垂直方向上的气动力模型；借助于计算流体力学对 井道内的气流进行两维模拟仿真实验，建立水平方向上轿厢所受气体扰动力的模型。 3 实例仿真计算：通过实例仿真实验研究气体扰动对电梯系统动态特性的影响。 1 4 本章小结 本章通过对电梯机械动力学模型及电梯气动学国内外现状的研究，认识到在高 速、超高速电梯的运行过程中气体扰动对轿厢的影响具有不可忽视的作用。拟用活塞 风形成机理的相似性建立轿厢垂直方向上的气动力，运用仿真实验的方法寻找电梯轿 厢水平方向上的受力规律，并修正电梯的垂直方向和水平方向上的动力学模型。之后 对气体扰动对电梯动力学性能的影响进行仿真实验分析。 第二章电梯理论基础 气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 第二章电梯理论基础 2 1 电梯概述 2 1 1 电梯的定义及分类 电梯( e l v e a t o r ，l i f t ) 【o 】是服务于固定搂层的固定升降设备。它具有一个轿厢， 运行在至少两列垂直的倾斜角小于i5 度的刚性导轨之间。它适用于装置在两层以上 的建筑内，是输送人员或货物的垂直交通工具。据统计，美国每天乘电梯的人次多于 乘载其它交通工具的人次。在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的 一种标志1 2 0 j 。 电梯的分类方法有多种，常见的有按电梯用途分类、按拖动方式分类、按驱动系 统分类、按曳引机有无减速箱分类、按电梯额定速度分类等。按用途分类，电梯可分 为客梯、货梯、观光电梯、自动扶梯、自动人行道、无机房电梯、医用电梯、液压电 梯、汽车电梯、杂物梯等；若按运行速度又可分为低速电梯、快速电梯、高速电梯、 超高速电梯；按拖动方式分有直流电梯、交流电梯、液压电梯和直线电机驱动电梯。 现着重对两种典型的分类进行说明叫。 1 有齿轮电梯与无齿轮电梯 电梯按曳引系统有无减速箱，可以分为有齿轮电梯和无齿轮电梯两类。有齿轮电 梯曳引轮的转速与电动机的转速不相等( 电动机转速 曳引轮转速) ，中间有蜗轮蜗杆 减速箱或齿轮减速箱( 行星齿轮、斜齿轮) 。一般是用在电梯额定速度v 2 m s 的场 合。无齿轮电梯曳引轮转速与电动机转速相等，中间无蜗轮蜗杆减速箱或齿轮减速箱。 气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究第二章电梯理论基础 对于这类电梯，要求电动机具有低转速、大转矩特性等。一般是用在电梯额定速度 v 2 m s 。近年来，随着永磁材料和永磁电机技术的进步以及电子技术和控制技术的 发展，开发和生产永磁同步无齿曳引电梯越来越受到国内外电梯行业的普遍重视。永 磁同步无齿轮曳引电梯同传统的有齿轮曳引电梯相比，具有以下特点：结构简单紧凑、 节省能量、效率高、噪声低、性能价格比高、安全可靠性高等。因此有理由相信，永 磁同步电机驱动无齿轮电梯将成为电梯发展的主流。 2 中低速电梯与( 超) 高速电梯 电梯按速度分类可以分为低速电梯、中速电梯、高速电梯、超高速电梯四类。 ( 1 ) 低速电梯：电梯的运行速度v l m l s ，货梯的运行速度多在这个速度区间内。 ( 2 ) 中速电梯：电梯的运行速度为l m l s 1 ，2 m l s ，多层( 1 5 层以内) 客梯及住 宅电梯运行速度多在此速度区间内。 ( 3 ) 高速电梯：电梯运行速度为2 m i s 1 ，4 m l s ，一般用于高层写字楼。 ( 4 ) 超高速电梯：电梯运行速度为1 ，4 m l s ，用于实行了分区控制的高层大厦。 随着电梯技术的不断发展电梯按速度的分类也有所改变。在电梯行业内部己把高 速电梯定义为4 m l s 1 ，6 m i s 的电梯，超高速的运行速度为1 ，6 m l s 。 2 1 2 电梯的结构 电梯是一种较为复杂的机电一体化设备，其机械部分好比人的躯体，电梯电气部 分相当于人的神经，微机控制部分相当于人的大脑。它由许多机械构件和电子、电气、 大规模集成电路组成的微型计算机系统及声、光控制等部件所组成。许多高科技产品 如网络技术、光纤通信技术、遥控技术等都己在电梯上得到广泛应用。电梯一般是由 其所依附的建筑物和八个系统组成，电梯所依附的建筑物有机房和井道。其八个系统 为：曳引系统、导向系统、重量平衡系统、轿厢、门系统、电力拖动系统、电气控制 系统和安全保护系统。曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮、反绳轮等组成，输 出与传递动力，驱动电梯运行；导向系统由轿厢的导轨、对重的导轨及其导轨架组成， 用来限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作上下运动；重量平 衡系统由对重和补偿装置等组成，用来相对平衡轿厢质量以及补偿高层电梯中曳引绳 长度的影响；轿厢由轿厢架和轿厢体两大部分组成，轿厢架是固定和悬吊轿厢的框架， 是轿厢的主要承载构件，由上梁、立梁、下梁和拉条等部分组成，电梯的轿厢由轿厢 底、轿厢壁、轿厢顶和轿厢门等组成；门系统主要包括轿门( 轿厢门) 、厅门( 层门) 、 7 第= 苹电梯理论基础气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 开门关门机构、安全装置以及附属 的零部件：电力拖动系统为电梯的 运行提供动力，并对电梯的启动加 速、稳速运行、制动减速等起控制 作用，其组成包括曳引机、供电系 统、速度反馈装置、电动机调速装 置等；电气控制系统的作用是通过 各种控制电路完成各种电气动作 功能，对电梯的运行实行操纵和控 制，保证电梯的安全运行，其组成 通常包括控制屏、操纵装置、位置 显示装置、换速平层装置、选层器 以及开关门电机和调速开关、电气 安全保护装置等：安全保护系统的 组成包括照速器、安全钳、强迫减 速开关、限位开关、极限开关，缓 冲器、门锁与轿门的电气连锁状 置、轿厢称重装置、限速器断绳开 关等。 2 2 电梯的速度曲线 图2 - 2 电梯结构图 在电梯运行过程中，其加速度曲线和速度曲线的选择非常重要，因为它关系到电 梯运行的稳定、效率以及乘客的舒适感 2 2 - 2 4 】。目前工程上所选用的速度曲线一般可分 为对称曲线和非对称曲线，也可以分为梯形曲线和正弦曲线。 梯形速度曲线如图2 - 3 由抛物线和直线段构成，其运行效率较高，但其加速度却 有突变，这会对电梯机构造成过太的冲击，而且使乘坐舒适感变差。正弦速度曲线如 图2 4 由于正弦曲线本身的特性，其加速度曲线是连续的，加速度变化率曲线也是连 续的的加速度按正弦变化，仅在电梯启动和制停时加速度变化率有一次跳变，乘坐舒 适感得到改善，但由于正弦函数的计算复杂，不适用于实时产生速度信号，且分析不 方便。两种速度曲线中梯形速度曲线应用较为广泛，以下以梯形速度曲线计算为例。 气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究第二章电梯理论基础 2 2 1 梯形速度曲线的计算 电梯运行速度曲线的计算，一般都是在给定合理的运行最大速度，同时设定最大 加速度及加速度变化率的条件下，计算出电梯运动各参数。 电梯速度曲线一般由加速段、稳速段和减速段组成。对于工程上采用的速度控制 曲线，稳速段的速度是根据输送能力的要求和驱动电动机功率及电耗较小的原则确定 的。加( 减) 速段的加速度一般是根据运行系统的惯性力和冲击力引起电梯系统的振 动、冲击效应、乘坐舒适性以及防滑条件来确定的。 d期飞f ll ；lk 一 ：口。! 曩 ll 八l 、一t ii i 一口_ 一 l iif p m j if u u t 图2 - 3 抛物电梯速度曲线 f i i j f 沙小 一 1 泔十1 一 卜- i - t - 一 图2 - 4 正弦电梯速度曲线 ( c ) 由于加速度随时间变化，故把运行时间分为7 个时间段来计算各段参数，其中a 。 为最大加速度，岛为加速度变化率，v 。为速度峰值。 0 r f l 为变加速抛物线段： 口= 几f ，v = 去p 册f 2 ( 2 1 ) 1 当f 之f l 时： t l f r 2 匀加速直线段： 当f = t 2 时： a m = p m t l , v ，= j 1 以f i z 口= 口册，1 ，= 1 ，l + 口肺( f t 】) 9 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 第二章电梯理论基础气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 v 2 = m + a m ( f 2 一t 1 ) ( 2 _ 4 ) t 2 f f 3 为变加速抛物线段： 口= 口朋一p 。( t - t 2 ) ，v = 1 ，2 + 口所( t - t 2 ) 一互1p 。p f 2 ) 2 ( 2 - 5 ) 当，= t 3 时： 口3 = 口，一p 。( t 3 - t 2 ) ，v 3 = 1 ，2 + 口。( t 3 - t 2 ) 一虿1p ，( t 3 - t 2 ) 2 ( 2 - 6 ) f 3 r t 4 匀速直线段： 当f = t 。时： a = 0 ，v = v m a 420 ，1 ，42v 埘 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) t t 5 变加速抛物线段： 口= 一岛( f f 4 ) v = v 用一j 1 成( 卜( 2 - 9 ) 当f = t 5 时： 吼2 一口脚，v 52v 2 ( 2 - 1 0 ) f 5 f t 6 匀减速抛物线段： a = 一口胁，v = v 5 一a p 。( f t 5 )( 2 - 11 ) 当t = r 6 时： 口6 = ，1 ，。= v ，一口。( t 6 - t s ) = v 1 = 丢“f ? ( 2 - 1 2 ) r 6 f t 7 变加速抛物线段： 口= 一口册+ p 肺( f 一气) 2 ，v = 1 ；6 - - a m ( r f 。) + 丢p 。( t - t 6 ) 2 ( 2 - 1 3 ) 当f = = t 时： a 720 ，1 ，7 = 0( 2 - 1 4 ) 如果设f ，= f 。y ，其中7 可称作时间比例系数，当电梯运行的距离s 确定后，通 过对各段曲线运动参数的推导，可以得出： ：正一1 ) 互 7p _ 1 0 ( 2 1 5 ) 气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 第二章 电梯理论基础 丁：f ，：蔓+ 鱼+ 旦( 2 1 6 ) “册p mv ” t l = a m( 2 1 7 ) m f ：鱼0 1 ) ( 2 - 1 8 ) 卜m ：1 l，( 2 - 1 t 3 - - t 1 9 ) 2 l f 。：r 一生!( 2 2 0 ) p mj l ：+ 堕( 2 2 1 ) ” t 6 = t t l( 2 - 2 2 ) 由推导得到的公式可以看出，只要确定最大速度、最大加速度、最大加速度变化 率度因子，就可以求得电梯运行过程中任意时刻的加速度，这对于激振力的精确求解 了很大的方便。 电梯的行程存在最大和最小行程，当电梯的实际行程超出这个范围时，需要调整 相关参数或选择与其对应的运行曲线以确保电梯正常运行。 其中电梯的最大最小行程可由以下公式分别求出： s 血毛v m 苦毛专3 s 一：尘垣+ v 朋( 一岛) ( 2 2 4 ) u m p m 2 2 2电梯速度的实时p i d 调节 由于速度控制模块、电梯主控制器及变频器之间存在着数据通讯的时间，同时速 度控制模块根据距离计算速度也需一定的时间，这造成了速度控制的在时间上的滞后 性；同时在起动段的电梯的反向溜车现象及负载的变化都可能造成距离控制速度的存 在着偏差。为了保证电梯实时速度控制的精确性，在根据电梯的剩余距离计算出电梯 的实时运行速度后，我们还要根据电梯的时间变化对系统给出的运行速度进行调节。 p i d 控制的模拟表达式为1 2 5 】： 第二章电梯理论基础 气体扰动对高速电梯系统动态特性影响的研究 p 。，= 七。 g 。，+ ( 毒+ f p 。，衍 c 2 - 2 5 ， 式中，p ( f ) 调节器的输出信号； p ( r ) 调节器的偏差信号，为给定值与实测值之差； 尼。调节器的比例放大系数； 乃、调节器的积分、微分时间常数。 在实际工程中，电梯的控制信号为数字信号，为了便于数字信号的控制，对p i d 控制的模拟表达式离散化： p c 尼，= 七。 e c 七